BRPI0615403A2 - methods for in-situ slot formation in a soderberg anode - Google Patents

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BRPI0615403A2
BRPI0615403A2 BRPI0615403-4A BRPI0615403A BRPI0615403A2 BR PI0615403 A2 BRPI0615403 A2 BR PI0615403A2 BR PI0615403 A BRPI0615403 A BR PI0615403A BR PI0615403 A2 BRPI0615403 A2 BR PI0615403A2
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soderberg
aluminum
approximately
plate inserts
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BRPI0615403-4A
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Alton T Tabereaux
Jerry L Roddy
Alain J Belda
Xiangwen Wang
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Alcoa Inc
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Abstract

MéTODOS PARA FORMAçãO IN-SITU DE RANHURAS EM UM áNODO SODERBERG. A presente invenção refere-se a um ânodo de carbono tipo Soderberg de auto cozimento (40) para uso em uma célula de eletrólise de alumínio (1) para formar produto de alumínio, em que o ânodo (40) é consumível em eletrólito fundido (12) na célula, tendo o ânodo superfícies de topo, fundo e laterais, e múltiplas camadas de inserções de placas (48) dispostas verticalmente, fusíveis no eletrólito fundido, as inserções de placa (48) preferencialmente feitas de alumínio e são capazes de fundir para criar ranhuras ocas (52) no fundo do ânodo facilitando quaisquer bolhas de gás (60) geradas canalizarem para a lateral do ânodo dentro do eletrólito.METHODS FOR IN-SITU SLOT TRAINING IN A SODERBERG ANOD. The present invention relates to a self-cooking Soderberg type carbon anode (40) for use in an aluminum electrolysis cell (1) to form aluminum product, in which the anode (40) is consumable in molten electrolyte ( 12) in the cell, the anode having top, bottom and side surfaces, and multiple layers of plate inserts (48) arranged vertically, fused in the molten electrolyte, the plate inserts (48) preferably made of aluminum and are capable of melting to create hollow grooves (52) in the bottom of the anode facilitating any gas bubbles (60) generated to channel to the side of the anode within the electrolyte.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODOSPARA FORMAÇÃO IN-SITU DE RANHURAS EM UM ÂNODO SODERBERG".Invention Patent Descriptive Report for "METHODS FOR IN-SITU TRAINING IN A SODERBERG ANODE".

Referência Cruzada ao Pedido RelacionadoRelated Order Cross Reference

Este pedido reivindica prioridade para o pedido US N911/215,586 arquivado em 30 de Agosto de 2005, o qual é incorporado aquipor referência.This application claims priority for US Patent Application No. 911 / 215,586 filed August 30, 2005, which is incorporated herein by reference.

Campo da InvençãoField of the Invention

A presente invenção refere-se ao uso de ranhuras em ânodos decarbono de auto cozimento para uso em células de eletrólise de alumínio,onde as ranhuras canalizam gás de ânodo para fora das superfícies doânodo.The present invention relates to the use of self-baking carbon anode grooves for use in aluminum electrolysis cells, wherein the grooves channel anode gas out of anode surfaces.

Fundamentos da InvençãoBackground of the Invention

O alumínio é produzido convencionalmente pela eletrólise dealumina dissolvida em eletrólitos fundidos à base de criolita (usualmente co-mo NaF mais AIF3) a temperaturas entre aproximadamente 900°C e 1000°C;o processo é conhecido como o processo de Hall-Heroult. Uma célula deredução/ "forno eletrolítico" de Hall-Heroult compreende tipicamente umacarcaça de aço tendo um revestimento isolante de material refratário o qualpor sua vez tem um revestimento de carbono que contata os constituintesfundidos. Barras condutoras conectadas ao pólo negativo de uma fonte decorrente contínua estão embutidas no substrato do cátodo de carbono queforma o piso de fundo da célula. Em geral ânodos de carbono são consumi-dos com a evolução de gás de óxido de carbono (CO2 e CO), como bolhasde gás e similares.Aluminum is conventionally produced by dealumin electrolysis dissolved in cryolite-based molten electrolytes (usually as NaF plus AIF3) at temperatures between approximately 900 ° C and 1000 ° C, the process is known as the Hall-Heroult process. A Hall-Heroult "electrolytic furnace" reduction cell typically comprises a steel housing having an insulating coating of refractory material which in turn has a carbon coating that contacts the molten constituents. Conductive bars connected to the negative pole of a continuous flowing source are embedded in the carbon cathode substrate that forms the bottom floor of the cell. In general carbon anodes are consumed with the evolution of carbon oxide gas (CO2 and CO), such as gas bubbles and the like.

Existem duas tecnologias de ânodo usadas para produzir alumí-nio pelo processo eletrolítico de Hall-Heroul. Uma é a de um ânodo pré-cozido caracterizado pela Patente US Ne 2.480.474, mencionada previamen-te, e a Publicação do Pedido de Patente US Ne 20050199488, arquivado em11 de Março de 2004 (Barclay et ai.)· A outra é uma tecnologia de célula deânodo de autocozimento "Soderberg" caracterizada pela patente US N93.996.117 (Graham et al.). Em uma célula pré-cozida, existem usualmenteentre 10 e 40 ânodos, dependendo do tamanho de célula (ampèragem). Ascélulas de Soderberg têm somente um grande ânodo de autocozimento ten-do uma dimensão aproximada de 2 a 3 metros de largura e 5-6 metros decomprimento. Este ânodo de autocozimento é pensado por Sodenberg naPatente US N91.440.724.There are two anode technologies used to produce aluminum by the Hall-Heroul electrolytic process. One is a pre-cooked anode characterized by US Patent No. 2,480,474, mentioned above, and US Patent Application Publication No. 20050199488, filed March 11, 2004 (Barclay et al.). The other is a "Soderberg" self-etching anode cell technology characterized by US Patent No. 93,996,117 (Graham et al.). In a precooked cell, there are usually between 10 and 40 anodes, depending on cell size (amp). Soderberg's cells have only one large self-anode having an approximate size of 2 to 3 meters in width and 5-6 meters in length. This self-anode anode is designed by Sodenberg in US Patent No. 91,440,724.

Como descrito por Edwards et al. em Alumínio e Sua Produção.McGraw-HiII1 New York1 1930, pp. 300- 307, ânodos de carbono podem serfeitos de uma mistura de carbono, piche e alcatrão, a qual é prensada emmoldes e subseqüentemente cozida em um forno de cozimento, ou eles po-dem ser feitos pela técnica de Soderberg. Na técnica de Soderberg, um invó-lucro de aço é usado para manter uma pasta carbonácea de eletrodo decarbono e alcatrão-piche. A mistura de eletrodo é gradualmente cozida paraprover um eletrodo de carbono cozido denso de boa condutividade que émovido gradualmente em direção aos eletrólitos, onde ele é eventualmenteconsumido.As described by Edwards et al. in Aluminum and Its Production.McGraw-HiII1 New York1 1930, pp. 25-30. 300-307, carbon anodes may be made from a mixture of carbon, tar and tar, which is pressed into molds and subsequently baked in a baking oven, or they may be made by Soderberg's technique. In Soderberg's technique, a steel casing is used to maintain a carbonaceous paste of carbon and tar-tar electrode. The electrode mixture is gradually cooked to provide a good conductivity dense cooked carbon electrode that is gradually moved toward the electrolytes, where it is eventually consumed.

O consumo dos ânodos de carbono em eletrólitos fundidos émostrado da Especificação de Patente US Ngs 2.480.474 e 3.756.929 (Jonh-son Figura 6a e Schmidt-Hatting et al. Figura 1, respectivamente). Os âno-dos são submergidos pelo menos parcialmente no banho e aqueles ânodosbem como suas estruturas de suporte são substituídas regularmente umavez que o carbono é consumido. Alumina é alimentada dentro do banho du-rante operação de célula e é importante ter boa dissolução de alumina. Asbolhas de gás do ânodo ajudarão a criar/causar fluxo de banho e turbulên-cia. É importante criar uma boa turbulência pelas bolhas de gás de ânodo nosentido favorável para aumentar a dissolução de alumina.Carbon anode consumption in fused electrolytes is shown in US Patent Specification Nos. 2,480,474 and 3,756,929 (Jonhson Figure 6a and Schmidt-Hatting et al. Figure 1, respectively). The anodes are at least partially submerged in the bath and those anodes as well as their supporting structures are regularly replaced once carbon is consumed. Alumina is fed into the bath during cell operation and it is important to have good alumina dissolution. Anode gas bubbles will help create / cause bath flow and turbulence. It is important to create good turbulence by the favorable anode gas bubbles to increase alumina dissolution.

A tecnologia tradicional se baseou no fluxo natural de gasesdesde sob os ânodos de carbono durante o processo de redução de alumí-nio, mas isto atrasou a remoção das bolhas de gás e diminui eficiências e aprodução de alumínio. Esta presença e o acúmulo de gás gerado durante aeletrólise foi um problema continuado na indústria e uma causa de altas de-mandas de energia, e para operar as células de eletrólise, os eletrodos de-vem ser projetados apropriadamente.Com sua grande área de superfície de fundo, os ânodos deSoderberg podem apresentar sérios problemas na evolução de gás. Em umacélula de eletrólise do tipo Soderberg de autocozimento, durante a eletrólise,Traditional technology has relied on the natural flow of gases from under the carbon anodes during the aluminum reduction process, but this has delayed the removal of gas bubbles and diminished aluminum efficiencies and production. This presence and accumulation of gas generated during electrolysis has been a continuing problem in the industry and a cause of high energy demands, and to operate the electrolysis cells, the electrodes must be designed properly. With their large surface area In the background, the Soderberg anodes can present serious problems in gas evolution. In a self-sizing Soderberg-type electrolysis cell during electrolysis,

uma grande quantidade de gás de ânodo (40 a 50 kg C02/hora) é produzidona única superfície de fundo de ânodo, e o gás de ânodo deve se deslocaruma distância considerável antes que ele possa ser liberado da superfície defundo do ânodo. As bolhas de gás coalescem e crescem até mesmo maio-res, antes que elas escapem da grande superfície de fundo de ânodo. Esteprocesso de formação de bolhas de gás de ânodo, coalescência, e Iibera-ção/escape das superfícies de ânodo criam instabilidade de célula significa-tiva, e portanto, células de Soderberg usualmente têm uma eficiência de cor-rente inferior do que as células pré-cozidas. Ao mesmo tempo, as bolhas degás de ânodo cobre uma grande percentagem da superfície de ânodo defundo, o que resulta em um aumento significativo na resistência elétrica evoltagem da célula, resultando em um consumo de energia maior do que nastecnologias de célula pré-cozida. Por exemplo, a Patente US Nq 3.996.117(Graham et al.)> divulga um ânodo de bloco de carbono disposto entre umajaqueta de aço na qual um gás de ânodo, principalmente, fica substancial-mente preso debaixo de uma crosta contendo alumina. Na Patente US N-5.030.335 (Olsen), o gás CO2 preso foi reconhecido como um problema du-rante a passagem do CO2 para um queimador de rejeito, já que o gás pode-ria conter também voláteis de piche e o produto da combustão poderia ter deser umedecido ou limpo a seco. Também, rompimentos na crosta poderiampermitir ao gás escapar na construção do forno. Em Olsen, foram usadascomo vedações uma pluralidade de placas eleváveis. Em Olsen, a jaquetade aço lateral/coletor para o ânodo de Soderberg é mostrada mais claramen-te. Nenhum destes dois projetos anteriores de célula de Soderberg resolveproblemas de formação de CO2 do fundo do ânodo.A large amount of anode gas (40 to 50 kg CO2 / hour) is produced on a single anode bottom surface, and the anode gas must travel a considerable distance before it can be released from the anode bottom surface. Gas bubbles coalesce and grow even larger before they escape the large anode bottom surface. This process of anode gas bubble formation, coalescence, and freeing / escaping anode surfaces create significant cell instability, and therefore, Soderberg cells usually have lower current efficiency than pre cells. -baked. At the same time, anode gas bubbles cover a large percentage of the deep anode surface, which results in a significant increase in the electrical evolution of the cell, resulting in a higher energy consumption than precooked cell technologies. For example, U.S. Patent No. 3,996,117 (Graham et al.) Discloses a carbon block anode disposed between a steel jacket in which an anode gas primarily is substantially trapped under an alumina-containing crust. In US Patent No. 5,030,335 (Olsen), trapped CO2 gas was recognized as a problem during the passage of CO2 to a tailings burner, as the gas could also contain tar volatiles and the product of combustion could have been moistened or dry cleaned. Also, crust breaks could allow gas to escape in the furnace construction. In Olsen, a plurality of lifting plates were used as seals. In Olsen, the side steel / collector jacket for the Soderberg anode is shown most clearly. Neither of these two previous Soderberg cell designs solves anode-bottom CO2 formation problems.

O que é necessário é um projeto de ânodo de carbono de So-derberg que rapidamente canalizará o gás de ânodo para fora da superfíciehorizontal de fundo, para melhorar a eficiência de corrente da célula, aumen-tar a estabilidade da célula e reduzir a resistência elétrica.Sumário da InvençãoWhat is needed is a So-derberg carbon anode design that will quickly channel anode gas off the bottom horizontal surface to improve cell current efficiency, increase cell stability and reduce electrical resistance. Summary of the Invention

E um principal objetivo da invenção prover um projeto de célu-la/ânodo de Soderberg que reduza a quantidade de bolhas de gás na super-fície de fundo de ânodos de Soderberg de auto cozimento.It is a main object of the invention to provide a Soderberg cell / anode design that reduces the amount of gas bubbles on the bottom surface of self-baking Soderberg anodes.

As necessidades acima são satisfeitas e o objetivo realizadoprovendo uma série de inserções de placa e correspondentes ranhuras emum ânodo de Soderberg. Em um aspecto é provida uma célula de eletrólisede alumínio tendo um tal ânodo de Soderberg, o ânodo de carbono tipo So-derberg consumível em eletrólito fundido, tendo superfícies de topo, fundo elaterais, com pinos metálicos verticais conduzindo eletricamente dispostosdentro do corpo do ânodo, o ânodo operando em eletrólito fundido em umacélula de eletrólise de alumínio, onde são geradas bolhas de gás na superfí-cie de fundo do ânodo, em que o ânodo é movível em uma direção verticalpara baixo em um eletrólito enquanto o ânodo é consumido, e em que oânodo tem uma pluralidade de ranhuras exteriores no fundo da superfície deânodo ao longo de um eixo horizontal do ânodo. As ranhuras são expostasao eletrólito fundido e são configuradas para permitir as bolhas de gás deânodo passarem para fora do eletrólito e afastadas do ânodo sem tampar asranhuras. O ânodo inclui uma pluralidade de camadas ou colunas de inser-ções de placa, as inserções de placa compreendendo pelo menos um dealumínio, oxido de alumínio, criolita e misturas dos mesmos, onde a camadade fundo das inserções irá fundir/dissolver com movimento para baixo dosânodo dentro do eletrólito fundido para formar ranhuras no fundo do ânodono contato com o eletrólito.The above needs are met and the objective accomplished by providing a series of plate inserts and corresponding slots in a Soderberg anode. In one aspect there is provided an aluminum electrolysis cell having such a Soderberg anode, the consumable So-derberg type carbon anode in molten electrolyte, having top, side bottom surfaces, with vertical metal pins leading electrically disposed within the anode body, the anode operating on a fused electrolyte in an aluminum electrolysis cell, where gas bubbles are generated on the anode bottom surface, where the anode is moved in a vertical direction downward on an electrolyte while the anode is consumed, and in that the anode has a plurality of outer grooves at the bottom of the anode surface along a horizontal axis of the anode. The slots are exposed to molten electrolyte and are configured to allow anode gas bubbles to pass out of the electrolyte and away from the anode without capping the scratches. The anode includes a plurality of plate insert layers or columns, plate inserts comprising at least one aluminum, aluminum oxide, cryolite and mixtures thereof, where the bottom layer of the inserts will melt / dissolve with downward motion. anode within the molten electrolyte to form grooves at the bottom of the anode contact with the electrolyte.

As ranhuras do ânodo podem ser de qualquer orientação (porexemplo, uma orientação vertical) e são geralmente não contínuas. As ra-nhuras não contínuas são formadas no ânodo de carbono de Soderberg detal forma que bolhas e bolhas coalescidas geradas nas superfícies do eletró-lito fluam para dentro das ranhuras e as ranhuras promovam movimento dasbolhas para fora do centro da superfície de fundo do ânodo e em direção àlateral do ânodo. A este respeito, as inserções de placa podem ser de di-mensão apropriada para realizar a desejada dimensão de ranhura com res-peito à largura, comprimento e altura. A largura das inserções de placa (por-tanto a largura da ranhura) pode ser selecionada de tal forma que elas per-mitam canalização contínua de uma quantidade significativa de gás de âno-do e uma velocidade de fluxo de gás apropriada. Preferencialmente, as ra-nhuras não entrarão em colapso ou se tornarão tampadas com os gases deânodo. A altura da inserção de placa decide a profundidade da ranhura aqual dita a faixa de vida de cada ranhura. Por exemplo, a largura das ranhu-ras (espessura das inserções de placa) podem ser de aproximadamente0,75 cm a 1,5 cm, preferencialmente 1,0 cm a 1,3 cm para ânodos de estiloSoderberg convencionais. Nos ânodos Soderberg convencionais, a altura dainserção de placa pode ser entre 6 cm e 50 cm, preferencialmente 9 cm a 20cm, que pode produzir ranhuras permanecendo 6 dias a 14 dias em ânodosde carbono convencionais. O comprimento das inserções de placa depen-dem da largura do ânodo de Soderberg. A resistência e integridade do car-bono do ânodo são também levadas em conta.The anode grooves may be of any orientation (e.g., a vertical orientation) and are generally non-continuous. Non-continuous cracks are formed at the Soderberg carbon anode in detail so that bubbles and coalesced bubbles generated on electrolyte surfaces flow into the grooves and the grooves promote bubble movement outward from the center of the anode bottom surface and toward the side of the anode. In this regard, the plate inserts may be of appropriate size to realize the desired slot size with respect to width, length and height. The width of the plate inserts (hence the width of the slot) can be selected such that they allow continuous channeling of a significant amount of anode gas and an appropriate gas flow rate. Preferably, the cracks will not collapse or become plugged with anode gases. The height of the plate insertion decides the depth of the aqual groove dictates the life span of each groove. For example, the width of the grooves (plate insert thickness) may be approximately 0.75 cm to 1.5 cm, preferably 1.0 cm to 1.3 cm for conventional Soderberg style anodes. At conventional Soderberg anodes, the height of the plate insertion can be between 6 cm and 50 cm, preferably 9 cm to 20 cm, which can produce grooves remaining 6 days to 14 days at conventional carbon anodes. The length of the plate inserts depends on the width of the Soderberg anode. The strength and integrity of the anode carbon are also taken into account.

As placas formando ranhuras mais ao topo podem ser posicio-nadas entre as colunas dos tarugos/pinos/grampos de aço do ânodo. As ra-nhuras devem assim ser formadas/localizadas nos locais entre as colunasde tarugos/grampos de ânodo (não tocando os tarugos). Para garantir que ésuficiente o número de ranhuras durante a operação, as placas de inserçãopodem ser inseridas entre cada outra coluna de pinos (alternada em inserirplacas entre colunas adjacentes de tarugos de ânodo de aço).The plates forming grooves at the top can be positioned between the billet columns / steel pins / anode clamps. The cracks should thus be formed / located at the locations between the billet columns / anode clamps (not touching the billets). To ensure that the number of slots is sufficient during operation, the insertion plates can be inserted between each other column of pins (alternating between inserting plates between adjacent steel anode billet columns).

Em outro aspecto, é provido um ânodo de carbono tipo Soder-berg de auto cozimento, o ânodo tendo superfícies de topo, fundo e lateraise contendo uma pluralidade de camadas de inserções de placa dispostasverticalmente, as inserções de placa compreendendo pelo menos um dealumínio, oxido de alumínio, criolita e misturas dos mesmos, sendo as inser-ções de placa capazes de fundir para criar as ranhuras no fundo do ânodopermitindo desta forma qualquer gás gerado na operação do ânodo passaratravés das ranhuras para o lado do ânodo. Em uma modalidade, as inser-ções de placa são alumínio um uma liga de alumínio de baixa impureza.Assim, o ânodo pode incluir uma pluralidade de inserções de placa circun-dadas por material de ânodo à base de carbono. As inserções de placa po-dem ser dispostas em vários níveis verticais dentro do ânodo. Por exemplo,as inserções de placa podem ser dispostas em quatro distintas camadasdentro do ânodo. As camadas de inserções de placa podem ser distintas ouas camadas podem se justapor, tal como ao longo de um eixo horizontal doânodo, (por exemplo, um primeiro conjunto de inserções de placa pode serdisposto em torno de um primeiro eixo horizontal e um segundo conjunto deinserções de placa pode ser disposto em torno de um segundo eixo horizon-tal, sendo a distância entre os dois eixos horizontais menor do que o com-primento de um conjunto de inserções de placa). As inserções de placa po-dem ser alinhadas em uma direção vertical, em que uma pluralidade de in-serções de placa são alinhadas com um primeiro eixo horizontal do ânodo,(por exemplo, um primeiro conjunto de inserções de placa podem ser alinha-dos com um primeiro eixo vertical e um segundo conjunto de inserções deplaca podem ser alinhados com um segundo eixo vertical. Em uma modali-dade particular, o ânodo inclui pelo menos quatro camadas distintas de in-serções de placa, cada camada incluindo uma pluralidade de inserções deplaca. O ânodo pode também incluir uma pluralidade de ranhuras localiza-das próximas à parte de fundo do ânodo. As ranhuras são formadas fundin-do as inserções de placa, como descrito.In another aspect, a self-baking Soder-berg type carbon anode is provided, the anode having top, bottom and lateraise surfaces containing a plurality of vertically disposed plate insert layers, plate inserts comprising at least one aluminum, oxide aluminum, cryolite and mixtures thereof, the plate inserts being able to fuse to create the grooves at the bottom of the anode thereby allowing any gas generated in the anode operation to pass through the grooves to the anode side. In one embodiment, the plate inserts are aluminum or a low impurity aluminum alloy. Thus, the anode may include a plurality of plate inserts surrounded by carbon-based anode material. Plate inserts may be arranged at various vertical levels within the anode. For example, plate inserts may be arranged in four distinct layers within the anode. The layers of plate inserts may be distinct or the layers may be juxtaposed, such as along a horizontal axis of the anode, (for example, a first set of plate inserts may be arranged around a first horizontal axis and a second set of insertions. may be arranged around a second horizontal axis, the distance between the two horizontal axes being shorter than the length of a plate insert assembly). Plate inserts may be aligned in a vertical direction, wherein a plurality of plate inserts are aligned with a first horizontal axis of the anode, (for example, a first set of plate inserts may be aligned. with a first vertical axis and a second set of plate inserts may be aligned with a second vertical axis. In a particular embodiment, the anode includes at least four distinct layers of plate inserts, each layer including a plurality of inserts. The anode may also include a plurality of slots located near the bottom of the anode The slots are formed by fusing the plate inserts as described.

Em outro aspecto, são providos métodos de formar um ânodo deSoderberg, incluindo os métodos as etapas de adicionar pasta de carbono auma parte superior de um invólucro contendo um ânodo de Soderberg; inse-rir inserções de placa dentro da pasta de carbono, e abaixar a pasta de car-bono em direção ao eletrólito fundido. Os métodos podem incluir a(s) eta-pa(s) de adicionar pasta de carbono à parte superior do alojamento e/ou in-serir inserções de placa adicionais dentro da pasta de carbono. Quaisquerdas etapas acima pode ser concomitante à etapa de produzir alumínio comuma célula de eletrólise de alumínio interconectada ao ânodo de Soderberg.O número de inserções de placa/ranhuras e configurações de inserções deplaca/ranhuras podem ser selecionado para restringir efetivamente e eficien-temente a formação de grandes bolhas de gás e canalizar para fora da su-perfície do ânodo o gás de ânodo durante a operação de uma célula eletrolí-tica, assim aperfeiçoando a eficiência de corrente da célula e a estabilidadeda célula. Também, reduzir a quantidade de bolhas de gás na superfície defundo dos ânodos de Soderberg reduzirá significativamente a resistênciaelétrica, abaixar a voltagem total da célula, e desta forma reduzir o consumode energia elétrica da célula. São também providos métodos de produzir a-lumínio usando os ânodos de Soderberg acima descritos.In another aspect, methods of forming a Soderberg anode are provided, the methods including the steps of adding carbon paste to an upper portion of a shell containing a Soderberg anode; insert plate inserts into the carbon paste, and lower the carbon paste toward the molten electrolyte. The methods may include the step (s) of adding carbon paste to the top of the housing and / or inserting additional plate inserts into the carbon paste. Any of the above steps may be concomitant with the step of producing aluminum with an aluminum electrolysis cell interconnected to the Soderberg anode. Number of plate / slot inserts and plate / slot insert configurations may be selected to effectively and efficiently constrain formation. large gas bubbles and channel the anode gas out of the anode surface during the operation of an electrolytic cell, thereby enhancing the cell's current efficiency and cell stability. Also, reducing the amount of gas bubbles on the deep surface of the Soderberg anodes will significantly reduce electrical resistance, lower the total cell voltage, and thereby reduce the cell's electrical power consumption. Methods of producing α-lumenium using the Soderberg anodes described above are also provided.

Como pode ser observado, vários dos aspectos, abordagense/ou modalidades acima observados, podem ser combinados para produzirvários sistemas e métodos de produção carbotérmicos inventivos. Estes eoutros aspectos, vantagens, e novas características da invenção são colo-cados em parte na descrição que segue e se tornarão claros àqueles enten-didos na técnica pelo exame da descrição e figuras que seguem, ou podemser aprendidas praticando a invenção.As can be seen, several of the above aspects or approaches can be combined to produce various inventive carbothermal production systems and methods. These other aspects, advantages, and novel features of the invention are set forth in part in the following description and will become apparent to those skilled in the art by examining the following description and figures, or may be learned by practicing the invention.

Breve Descrição dos DesenhosBrief Description of the Drawings

Um completo entendimento da invenção pode ser apreciado pelaseguinte Descrição Detalhada da Invenção quando lida com referência aosdesenhos anexos em que:A complete understanding of the invention may be appreciated by the following Detailed Description of the Invention when read with reference to the accompanying drawings in which:

a Figura 1 é uma vista em corte transversal parcialmente rompi-da de uma célula de tipo de ânodo de Soderberg de autocozimento do tipoda técnica anterior, tradicional, similar àquele ilustrado na Especificação dePatente 3.996.117;Figure 1 is a partially broken cross-sectional view of a traditional prior art self-sealing Soderberg anode type cell similar to that illustrated in Patent Specification 3,996,117;

a Figura 2 é uma vista esquemática parcialmente em cortetransversal rompida, vista frontal, de parte de uma célula de tipo de ânodode Soderberg de autocozimento, mostrando uma pluralidade de ranhuras einserções de placa de alumínio embutidas dentro do ânodo;Figure 2 is a schematic partially broken away cross-sectional front view of part of a self-sealing Soderberg anode-type cell showing a plurality of grooves and aluminum plate inserts embedded within the anode;

a Figura 3 é uma vista esquemática parcialmente em cortetransversal rompida, vista lateral, da célula mostrada na Figura 2;Figure 3 is a schematic partially broken down cross-sectional side view of the cell shown in Figure 2;

a Figura 4 é uma vista parcial aumentada da parte de operaçãoda Figura 3 mostrando o ânodo em transição, em uma célula de eletrólise dealumínio, onde uma ranhura é formada depois que uma inserção de placa dealumínio é fundida, e onde o ânodo de carbono circundante, mostrado comouma linha tracejada, está produzindo bolhas e estas bolhas fluem para den-tro da ranhura, para facilidade de remoção de bolhas.Figure 4 is an enlarged partial view of the operating part of Figure 3 showing the transition anode in an aluminum electrolysis cell where a groove is formed after an aluminum plate insert is fused, and where the surrounding carbon anode, shown as a dashed line, it is producing bubbles and these bubbles flow into the groove for ease of bubble removal.

a Figura 5 é uma vista esquemática em corte transversal, vistade topo, de um ânodo de Soderberg de autocozimento mostrando um posi-cionamento de inserções de placa de alumínio em dois níveis verticais doânodo.Figure 5 is a schematic cross-sectional top-view view of a self-sealing Soderberg anode showing a position of aluminum plate inserts on two vertical levels of the anode.

a Figura 6 é um gráfico comparativo do ruído de voltagem(V) doforno eletrolítico de ânodo de células de Soderberg, com ânodos de Soder-berg tradicionais vs. ânodos de Soderberg ranhurados;Figure 6 is a comparative graph of the voltage (V) noise of the Soderberg cell anode electrolyte furnace, with traditional Soder-berg anodes. grooved Soderberg anodes;

as Figuras 7(a) e 7(b) são gráficos comparativos do potencialtípico de ânodo vs. tempo mostrando resultados de formação de tamanho debolha de gás e liberação nas superfícies de ânodo de ânodos de Soderbergtradicionais e ânodos de Soderberg ranhurados;Figures 7 (a) and 7 (b) are comparative graphs of typical anode potential vs. time showing results of gas-cap size and release formation on anode surfaces of traditional Soderberg anodes and grooved Soderberg anodes;

as Figuras 8(a) e 8(b) são gráficos comparativos da voltagem decélula de forno eletrolítico (v) vs. tempo mostrando flutuação de voltagem deuma célula de ânodo de Soderberg tradicional e uma célula de ânodo deSoderberg ranhurado; eFigures 8 (a) and 8 (b) are comparative graphs of the electrolytic furnace cell voltage (v) vs. time showing voltage fluctuation of a traditional Soderberg anode cell and a grooved Soderberg anode cell; and

a Figura 9 é um gráfico comparativo da queda de voltagem debolha de gás como medido em ânodos de Soderberg com e sem fendas.Figure 9 is a comparative graph of the gas drop voltage drop as measured on cracked and slotted Soderberg anodes.

Descrição Detalhada da InvençãoDetailed Description of the Invention

A Figura 1 ilustra um ânodo à base de carbono tradicional dotipo de Soderberg de autocozimento 13 operando em eletrólito fundido 12em uma célula de eletrólise de alumínio 1. Esta célula 1 inclui uma carcaçade aço 10, uma cuba de produto de metal de alumínio fundido 11 e um ba-nho de eletrólito 12. Bolhas de gás de ânodo (principalmente CO2) aparecemcomo grandes bolhas presas 2, no fundo 3 do ânodo 13, coalescem em bo-lhas maiores 4 próximo à lateral 5 do ânodo 13 e finalmente liberando comgrandes bolhas 6, deslocando-se para cima como mostrado na seta 7. Sus-penso no banho 12 está um ânodo de Soderberg (+) 13. Associado com oânodo de Soderberg estão metais, usualmente grampos/condutores/pinos deaço 14a, 14b e 14c, os quais são conectados ao lado positivo de uma fontede corrente elétrica. É provido um metal, usualmente, jaqueta de aço 15, nolado superior do ânodo, onde os constituintes de ânodo ainda não endurece-ram suficientemente (não cozido) para tornar os mesmos auto-suportados.Enquanto o ânodo é consumido, como mostrado pelo fundo irregular 3, ele émovido para baixo dentro do eletrólito como mostrado pela seta de topo es-cura 17.Figure 1 illustrates a traditional self-etching Soderberg-type carbon-based anode 13 operating on molten electrolyte 12 in an aluminum electrolysis cell 1. This cell 1 includes a steel housing 10, a molten aluminum metal product vat 11 and an electrolyte tubing 12. Anode gas bubbles (mainly CO2) appear as large bubbles trapped 2 at the bottom 3 of anode 13, coalesce into larger bubbles 4 near the side 5 of anode 13 and finally releasing large bubbles 6 moving upwards as shown in arrow 7. Suspended in bath 12 is a Soderberg anode (+) 13. Associated with the Soderberg anode are metals, usually clamps / leads / pins 14a, 14b and 14c, which are connected to the positive side of an electrical current source. A metal is usually provided, steel jacket 15, upper anode nipple, where the anode constituents have not yet hardened sufficiently (uncooked) to make them self-supporting. While the anode is consumed as shown by the bottom irregular 3, it is moved down into the electrolyte as shown by the top-up arrow 17.

Circundando o ânodo pode ser usado um coletor 16 para proverum lado superior para a crosta porosa 28 e para promover a coleta de fuma-ça usualmente através de um queimador de exaustão tradicional (não mos-trado). A cuba (ou plataforma) 11 de alumínio fundido é suportada em reves-timento de bloco carbonáceo 19 e revestimento carbonáceo socado 20. Osrevestimentos carbonáceos podem ser suportados sobre um enchimento dealumínio 21. Opcionalmente, ele pode ser interposto entre o revestimentosocado e o Iadrilho de pedra 22. Uma camada de tijolo vermelho 23 pode sersituada próximo ao Iadrilho de pedra 22. Um material de mica 18 pode serusado para o propósito de prover um grau extra de segurança contra fluxode corrente através da célula 10.Surrounding the anode a collector 16 may be used to provide an upper side to the porous crust 28 and to promote smoke collection usually through a traditional (not shown) exhaust burner. Cast aluminum tub (or platform) 11 is supported on carbonaceous block liner 19 and punched carbonaceous liner 20. Carbonaceous linings can be supported on an aluminum filler 21. Optionally, it can be interposed between the liner and the floor tile. stone 22. A layer of red brick 23 may be placed next to stone tile 22. A mica material 18 may be used for the purpose of providing an extra degree of safety against current flow through cell 10.

A corrente de cátodo é suprida através de barras de aço 24, aorevestimento de bloco carbonáceo 19. O suprimento de corrente é indicadopor sinais de mais e menos no ânodo 13 e a barra conectora 24 respectiva-mente.The cathode current is supplied through steel bars 24, the carbonaceous block coating 19. The current supply is indicated by plus and minus signs at anode 13 and the connector bar 24 respectively.

Uma placa 25, provida sobre a borda superior da carcaça de açopode servir ao propósito de proteger o revestimento carbonáceo quandoa crosta porosa 28 está sendo rompida para o propósito de alimentar alumi-na adicional ao banho 12. A crosta 28 é formada de partículas soltas de a-lumina 29a. Em seu lado inferior, a crosta se torna, em parte, um materialsinterizado rico em alumina 29b. Os parâmetros operacionais são seleciona-dos de tal forma que uma camada agarrada 30 de alumina e banho limita oslados da cuba de metal de alumínio 11 e banho 12. É preferido que a cama-da 30 se estenda pelo menos para baixo ao fundo da inclinação do revesti-mento socado 20.A plate 25 provided over the upper edge of the steel housing may serve the purpose of protecting the carbonaceous coating when the porous crust 28 is being ruptured for the purpose of feeding additional aluminum to the bath 12. The crust 28 is formed of loose particles of carbon. α-lumine 29a. On its underside, the crust becomes, in part, an alumina rich materialsinterized 29b. Operating parameters are selected such that a grasped layer 30 of alumina and bath limits the sides of aluminum metal bowl 11 and bath 12. It is preferred that the bed 30 extends at least down to the bottom of the slope. of the punched coat 20.

Como mostrado neste ânodo de Soderberg da técnica anterior,tanto o fundo 3 quanto a lateral 5 são planos, e as bolhas 2 e 4 são essenci-almente presas debaixo do lado do ânodo entre os pólos positivo e negativoem uma camada semicontínua de bolha. No sentido de facilitar a liberaçãodesta bolha, foi desenvolvido o ânodo de Soderberg mostrado nas Figuras 2-5.As shown in this prior art Soderberg anode, both bottom 3 and side 5 are flat, and bubbles 2 and 4 are essentially trapped under the anode side between the positive and negative poles in a semicontinuous bubble layer. In order to facilitate the release of this bubble, the Soderberg anode shown in Figures 2-5 was developed.

Como mostrado nas Figuras 2-5, este novo e aperfeiçoado âno-do à base de carbono tipo Soderberg de auto cozimento 40 tem superfíciesde topo 42, de fundo 44 e laterais 46, a superfície de fundo 44 contatando esendo imersa no eletrólito fundido 12, usualmente um eletrólito de criolita nabase de Na3AIF6(NaF + AIF3), o qual irá operar a uma temperatura de apro-ximadamente 800°C a aproximadamente 1100°C, usualmente desde 900°Ca 1000°C. Uma cuba (ou plataforma) 11 de alumínio produzido é formadadebaixo do eletrólito fundido 12, o alumínio também atuando como cátodo.A barra conectora de cátodo é mostrada como 24 e os condutores metálicosde ânodo como 14. O ânodo de Soderberg 40 pode ser feito tanto de pastaseca como úmida que tipicamente compreende 20% em peso a 30% em pe-so de alcatrão de carvão/piche de petróleo e 70% em peso a 80% em pesode coque calcinado de petróleo. Também mostrados nas Figuras 2-5 estãoos condutores metálicos de ânodo, tais como grampos/tarugos/pinos de aço14 (aqui após "pinos"); metal, tal como invólucro/jaqueta de ânodo aço 15.Também mostrado está o revestimento 20, cuja parte de fundo pode ter umabarra conectora 24. A viga de ânodo 57 para elevar ou abaixar os ânodos étambém mostrada nas Figuras 2 -3. A borda de fundo da ranhura é mostra-da como 63 e o ânodo circundante da ranhura é mostrado como 40.As shown in Figures 2-5, this new and improved self-baking Soderberg-type carbon-based anode 40 has top 42, bottom 44 and side surfaces 46, the bottom surface 44 contacting and being immersed in molten electrolyte 12, usually a Na3AIF6 cryolite nabase electrolyte (NaF + AIF3) which will operate at a temperature of approximately 800 ° C to approximately 1100 ° C, usually from 900 ° C to 1000 ° C. An aluminum tub (or platform) 11 produced is formed below the molten electrolyte 12, the aluminum also acting as the cathode. The cathode connector bar is shown as 24 and the metal anode conductors as 14. The Soderberg 40 anode can be made either. such as wet pastes typically comprising 20% by weight to 30% by weight of coal tar / oil tar and 70% by weight to 80% by weight of calcined petroleum coke. Also shown in Figures 2-5 are anode metal conductors, such as steel clamps / dowels / pins14 (hereinafter "pins"); metal, such as steel anode casing / jacket 15. Also shown is casing 20, the bottom of which may have a connector bar 24. Anode beam 57 for raising or lowering anodes is also shown in Figures 2 -3. The bottom edge of the groove is shown as 63 and the surrounding anode of the groove is shown as 40.

Como mostrado nas Figuras 2-4, chapas, placas, ou inserções,contendo alumínio fusível, aqui após "inserções de placa" 48 são dispostasdentro do ânodo 40 como camadas ou colunas ao longo do eixo horizontal,tal como o eixo 66, e uma pluralidade de níveis verticais 50. Estas inserçõesde placa são capazes de fundir, enquanto o fundo 44 do ânodo 40 cozinhana criolita fundida 12, para criar ranhuras ocas verticais para fora 52, mos-tradas aqui na forma idealizada como completamente fundidas, melhor mos-tradas na vista lateral das Figuras 3 e 4, no fundo do ânodo. Assim os gasesde ânodo (por exemplo, C02) gerados durante a operação da célula de ele-trólise pode facilmente canalizar através da ranhuras abertas 52 para o ladodo ânodo, como mostrado na Figura 4.As shown in Figures 2-4, plates, plates, or inserts containing fusible aluminum, here after "plate inserts" 48 are disposed within anode 40 as layers or columns along the horizontal axis, such as axis 66, and a plurality of vertical levels 50. These plate inserts are able to fuse, while the bottom 44 of anode 40 cooks molten cryolite 12, to create vertical outward hollow grooves 52, shown here in the idealized form as fully fused, better shown. in the side view of Figures 3 and 4 at the bottom of the anode. Thus the anode gases (e.g., CO2) generated during electrolysis cell operation can easily channel through the open slots 52 to the anode step, as shown in Figure 4.

As inserções de placa (por exemplo, placas solidifica-das/fundidas/placas moldadas) podem compreender alumínio e quaisqueroutros níveis de outros materiais que, ao fundirem, não resultem em nívelinaceitável de impurezas no alumínio sendo produzido. Tais outros materiaispodem compreender vários óxidos de alumínio (por exemplo, um ou mais deAI2O3; AI2O3 · H2O; AI2O3 · 2H20 e AI2O3 · 3H20) tais como óxidos de alu-mínio moldados ou fundidos, e/ou criolita (também moldada ou fundida).Como usada aqui, a criolita inclui Na3AIF6, AIF3 e aditivos similares. O alu-mínio pode estar na forma de liga, tal como uma liga de alumínio compreen-dendo um ou mais de Fe, Ni, Cu, Zn, Co, ou outros materiais metálicos. Porexemplo, as inserções de placa podem ser alumínio, tal como consistindoessencialmente em alumínio, ou as inserções de placa podem ser uma ligade alumínio de baixa impureza, por exempio, uma liga de alumínio tendomenos do que aproximadamente 0,1% em peso de Fe; menos do que apro-ximadamente 0,02% em peso de Ni; menos do que aproximadamente 0,05%em peso de Cu; menos do que aproximadamente 0,02% em peso de Zn;e/ou menos do que aproximadamente 0,02% em peso de Co, de forma quequando a liga de alumínio funde, a quantidade de componentes não alumíniono produto fundido será comercialmente aceitável. O uso de placas de alu-mínio como um material de placa é também desejável em que o alumíniopermanecerá um sólido durante a etapa de cozimento da pasta de carbono,que ocorre em uma temperatura de entre 300°C a 6Ò0°C.Plate inserts (e.g. solidified / cast plates / molded plates) may comprise aluminum and any other levels of other materials which, by melting, do not result in unacceptable impurities in the aluminum being produced. Such other materials may comprise various aluminum oxides (for example, one or more of Al 2 O 3; Al 2 O 3 · H 2 O; Al 2 O 3 · 2H 2 O and Al 2 O 3 · 3 H 2 O) such as cast or cast aluminum oxides, and / or cryolite (also cast or cast) As used herein, cryolite includes Na3AIF6, AIF3 and similar additives. Aluminum may be in the form of an alloy, such as an aluminum alloy comprising one or more of Fe, Ni, Cu, Zn, Co, or other metallic materials. For example, the plate inserts may be aluminum, such as consisting essentially of aluminum, or the plate inserts may be a low impurity aluminum alloy, for example an aluminum alloy having less than approximately 0.1% by weight of Fe; less than about 0.02 wt% Ni; less than approximately 0.05% by weight of Cu; less than approximately 0.02% by weight of Zn and / or less than approximately 0.02% by weight of Co, so that when the aluminum alloy melts, the amount of non-aluminum melt components will be commercially acceptable. The use of aluminum plates as a plate material is also desirable in that aluminum will remain a solid during the carbon paste cooking step, which occurs at a temperature of from 300 ° C to 60 ° C.

A altura 54, comprimento 56 e largura das inserções 48 podemser talhadas de acordo com o tamanho do ânodo 40. Para ânodos de So-derberg convencionais, as ranhuras 52 e as inserções de placa 48 geralmen-te têm uma altura 54 desde aproximadamente 6 cm a 50 cm, preferencial-mente 13 cm a 20 cm. Para ânodos convencionais, se as inserções de placasão abaixo de 6 cm, pode ser verificado custo de trabalho aumentado, devi-do ao número de placas que terão que ser inseridas durante a operação dacélula, e para inserções de placa acima de 50 cm, poderia ser possível asangria da pasta se é usado criolita; também, a integridade do ânodo pode-ria estar em risco. Para ânodos convencionais, o comprimento 56 das inser-ções de placa e ranhuras geralmente está na faixa de aproximadamente 50cm a aproximadamente 120 cm, dependendo do comprimento da lateral doânodo. Para ânodos convencionais, se o comprimento da inserção de placaé abaixo de 50 cm, a maior parte da superfície de ânodo não pode ser co-berta pelas ranhuras, e portanto, não é efetiva. Para ânodos convencionais,a largura (espessura) é geralmente entre 0,75 cm e 1,5 cm.The height 54, length 56 and width of the inserts 48 may be tailored to the size of anode 40. For conventional So-derberg anodes, the slots 52 and plate inserts 48 generally have a height 54 of from about 6 cm. at 50 cm, preferably 13 cm to 20 cm. For conventional anodes, if plate inserts are below 6 cm, increased labor cost can be verified due to the number of plates that will have to be inserted during cell operation, and for plate inserts above 50 cm, it could be it is possible to bleed the paste if cryolite is used; Also, the integrity of the anode could be at risk. For conventional anodes, the length of plate and groove inserts 56 is generally in the range of approximately 50 cm to approximately 120 cm, depending on the length of the anode side. For conventional anodes, if the length of the plate insert is below 50 cm, most of the anode surface cannot be covered by the grooves, and therefore is not effective. For conventional anodes, the width (thickness) is usually between 0.75 cm and 1.5 cm.

Referindo-se à Figura 4, é mostrada, para uma pintura mais cla-ra da operação da célula, uma vista aumentada parcial da vista lateral daFigura 1. Na Figura 4, o ânodo 40 foi movido para baixo e funde completa-mente a inserção de placa da camada de fundo provendo a ranhura 52 pelocalor do eletrólito fundido, que tem uma temperatura maior do que o pontode fusão da inserção de placa. A inserção de placa fundida cai para a plata-forma metálica, e deixada atrás está uma ranhura retangular, tal como a ra-nhura 52 na Figura 4. Esta ranhura 52 canaliza as bolhas de gás 60 parafora da superfície de ânodo local, mostrada pelas linhas tracejadas 13'.Referring to Figure 4, for a clearer painting of cell operation, a partial enlarged view of the side view of Figure 1 is shown. In Figure 4, anode 40 has been moved downward and completely fuses the insert. of the bottom layer plate providing the heat-slot of the molten electrolyte, which has a temperature greater than the melting point of the plate insert. The molten plate insert falls into the metal plate, and left behind is a rectangular groove, such as groove 52 in Figure 4. This groove 52 channels gas bubbles 60 out of the local anode surface, shown by dashed lines 13 '.

As inserções de placa 48 são circundadas pelo ânodo, excetoquando as inserções de placa 48 fazem interface com o eletrólito fundido 12de forma que o ânodo continue a reagir com o eletrólito fundido, gerandobolhas 60 e sendo consumido. As bolhas 60 fluirão para dentro das ranhuras52 deixadas depois que as inserções de placa fundem. Geralmente, existecoalescimento em grandes aglomerações de bolhas. Bolhas maiores irãocoalescer ainda mais em um tipo de bolhas de manta gigante 61. As setas 7mostram o caminho para cima das bolhas. Em ambas as Figuras 1 e 4,quando as bolhas deixam o eletrólito 12, elas se tornam parte da atmosferagasosa acima do eletrólito. Também mostrados estão o coletor 16 e as partí-culas soltas de alumina 29a e material rico em alumina sinterizada 29b.The plate inserts 48 are surrounded by the anode, except that the plate inserts 48 interface with the molten electrolyte 12 so that the anode continues to react with the molten electrolyte, generating bubbles 60 and being consumed. Bubbles 60 will flow into the slots52 left after the plate inserts fuse. Generally, there is growth in large agglomerations of bubbles. Larger bubbles will further grow into a giant blanket type 61. Arrows 7 show the way up the bubbles. In both Figures 1 and 4, when the bubbles leave the electrolyte 12, they become part of the atmosphere above the electrolyte. Also shown are collector 16 and loose alumina particles 29a and sintered alumina rich material 29b.

O revestimento de bloco carbonáceo 19 contém barras de cone-xão 24. Os pinos metálicos não são mostrados na Figura 4 por motivo desimplicidade. As inserções de placa de alumínio 48 são interdispersas atra-vés do ânodo 40 em nenhum arranjo necessariamente particular, mas prefe-rencialmente, em camadas múltiplas (por exemplo, uma, duas, três, quatrocamadas ou mais) nas colunas verticais 64, uma abaixo da outra, e alinha-das entre os pinos 14, como melhor mostrado na Figura 2. As inserções deplaca de alumínio 48 são dispostas entre os pinos metálicos 14 como mos-trado na Figura 2. Como mostrado na Figura 5, os pinos metálicos podemser deslocados a um ângulo como mostrado, onde, naquela situação, as in-serções de placa serão também deslocadas e geralmente paralelas aos pi-nos metálicos. Na Figura 5, o conjunto de inserções de placa 48a, corres-pondem às inserções de placa de topo 48a na Figura 2, enquanto as inser-ção de placa mostrada na forma tracejada 48b corresponde à inserção deplaca 48b na próxima coluna e camada, uma camada abaixo na Figura 2.Placa de inserção extremidade com extremidade 48c pode também ser usa-da e pode ser fixada às outras inserções ou separada delas.The carbonaceous block liner 19 contains connection bars 24. The metal pins are not shown in Figure 4 for simplicity. Aluminum plate inserts 48 are interdispersed through anode 40 in no necessarily particular but preferably multi-layered arrangement (e.g., one, two, three, four layers or more) in the vertical columns 64, one below. each other and aligned between pins 14, as best shown in Figure 2. Aluminum plate inserts 48 are arranged between metal pins 14 as shown in Figure 2. As shown in Figure 5, metal pins may be displaced at an angle as shown, where in that situation the plate insertions will also be displaced and generally parallel to the metal studs. In Figure 5, the plate insert assembly 48a corresponds to the top plate inserts 48a in Figure 2, while the plate inserts shown in dashed 48b correspond to the plate insert 48b in the next column and layer. The layer below in Figure 2. End-to-End Insertion Plate 48c may also be used and may be attached to or separated from other inserts.

As ranhuras 52 podem ser formadas e mantidas nos ânodos deSoderberg inserindo periodicamente inserções de placa 48 dentro da pastade ânodo de carbono não cozida ou briquetes no topo dos ânodos. As pla-cas formando ranhuras são geralmente inseridas em uma posição substan-cialmente vertical dentro da pasta de ânodo de carbono no topo dos ânodosentre os pinos de aço do ânodo 14.The grooves 52 may be formed and maintained at the Soderberg anodes by periodically inserting plate inserts 48 into the uncooked carbon anode pad or briquettes at the top of the anodes. The groove forming plates are generally inserted in a substantially vertical position within the carbon anode paste at the top of the anodes between the steel anode pins 14.

Enquanto o ânodo é consumido, as inserções de placa 48 semovem para baixo juntamente com toda massa de ânodo. Elas irão fundir(deixando espaço livre e formação de ranhuras 52 em contato com eletrólito)e o metal será recuperado na plataforma metálica uma vez que a seção deânodo (com placas) desloca-se para baixo dentro do banho. As inserções deplaca não devem contaminar a qualidade metálica do alumínio.As the anode is consumed, plate inserts 48 move downward along with all anode mass. They will melt (leaving free space and groove 52 in contact with electrolyte) and the metal will be recovered from the metal platform as the anode (plate) section moves down into the bath. Plate inserts should not contaminate the metallic quality of aluminum.

As Figuras 2-4 mostram onde as placas de alumínio são inse-ridas desde o topo do ânodo juntamente com carregamento de pasta de â-nodo e ranhuras verticais são criadas uma vez que o metal alumínio vazapara fora na cuba de metal abaixo depois que a seção de ânodo se deslocapara baixo e em contato com o banho fundido.Figures 2-4 show where the aluminum plates are inserted from the top of the anode together with anode paste loading and vertical grooves are created as the aluminum metal leaks out into the metal vat below after the anode section moves low and in contact with the molten bath.

Adicionalmente à disposição das inserções de placa de topo aofundo para fazer ranhuras verticais nos ânodos de Soderberg, as especifica-ções das inserções de placa (ou dimensão das ranhuras) incluindo o númerode inserções de placa usadas, o espaçamento e tamanhos das inserções deplaca são considerados parte da invenção. O número de ranhuras/inserçõesno ânodo de Soderberg pode ser talhado para reduzir o ruído do forno ele-trolítico (por exemplo, aumentando a estabilidade do forno eletrolítico) e re-duzir a queda de voltagem de bolha de gás de ânodo.In addition to the arrangement of the deep end plate inserts for making vertical grooves in the Soderberg anodes, the specifications of the plate inserts (or slot size) including the number of plate inserts used, the spacing and sizes of the plate inserts are considered. part of the invention. The number of slots / inserts in the Soderberg anode can be tailored to reduce electrolytic furnace noise (for example, by increasing the stability of the electrolytic furnace) and reduce the anode gas bubble voltage drop.

ExemplosExamples

É demonstrada na Figura 9, a queda de voltagem de bolha degás de ânodo com e sem ranhuras nos ânodos de Soderberg, a qual é umacomparação da queda de voltagem de bolha de gás de ânodo como medidaem diferentes localizações sobre os ânodos de Soderberg com e sem ranhu-ras. Os ânodos de Soderberg sem ranhuras são mostrados como voltagens120 e os ânodos de Soderberg com ranhuras são mostrados como voltagens125. A queda de voltagem de bolha de gás em ânodos de Soderberg regula-res pode ser maior do que 0,4 V. Quando estão presentes ranhuras nas su-perfície, a queda de voltagem de bolha de gás pode ser reduzida a tão baixaquanto 0,15 V, uma diferença tão alta quanto 0,25 V. Isto é importante por-que este é o potencial de economia de voltagem do forno eletrolítico introdu-zindo ranhuras no ânodo de Soderberg.Shown in Figure 9 is the bubble voltage drop of anode and slotted anode gas at the Soderberg anodes, which is a comparison of the anode gas bubble voltage drop as measured at different locations on the Soderberg anode with and without grooves. Slotted Soderberg anodes are shown as voltages120 and Slotted Soderberg anodes are shown as voltages125. The gas bubble voltage drop at regular Soderberg anodes may be greater than 0.4 V. When grooves are present in the surfaces, the gas bubble voltage drop may be reduced to as low as 0, 15 V, a difference as high as 0.25 V. This is important because this is the voltage saving potential of the electrolytic furnace by inserting slots in the Soderberg anode.

A presença das ranhuras reduz o tamanho das bolhas de gás deânodo antes do gás de ânodo liberar/escapar da superfície do ânodo de So-derberg. Está mostrado na Figura 7(a) um potencial de ânodo (em referênciaa um eletrodo metálico de Al) respondendo a processos repetitivos de for-mação de bolhas de gás de ânodo de Soderberg -» coalescimento Iibera-ção desde a superfície onde não existe nenhuma ranhura. Cada pico e valeno espectro representa um ciclo de bolhas de gás desde a formação à libe-ração. A magnitude da flutuação do potencial de voltagem, bem como otempo tomado para cumprir o ciclo, determina o tamanho da formação debolhas de gás de ânodo antes de sua liberação. Quando ranhuras estãopresentes na superfície do ânodo de Soderberg, o tamanho das bolhas degás de ânodo, bem como os processos de formação e liberação das bolhasde gás de ânodo podem ser modificados. Como visto na Figura 7(b), a mag-nitude do potencial de ânodo é substancialmente reduzida. O tamanho dabolha de gás de ânodo grandemente reduzido (formação e liberação sob umânodo de Soderberg) sob a presença de numerosas ranhuras na superfíciedo ânodo de Soderberg se traduz em queda de voltagem de bolha de gás deânodo reduzida e um forno eletrolítico mais estável com ruído reduzido.The presence of the grooves reduces the size of the anode gas bubbles before the anode gas releases / escapes from the So-derberg anode surface. Shown in Figure 7 (a) is an anode potential (in reference to an Al metal electrode) responding to repetitive processes of Soderberg anode gas bubble formation - »Coalescence Freezing from the surface where there is no slot. Each peak and valene spectrum represents a cycle of gas bubbles from formation to release. The magnitude of the voltage potential fluctuation, as well as the time taken to fulfill the cycle, determines the size of the anode gas formation prior to its release. When grooves are present on the surface of the Soderberg anode, the size of the anode gas bubbles as well as the processes of anode gas bubble formation and release can be modified. As seen in Figure 7 (b), the magnitude of the anode potential is substantially reduced. The size of the greatly reduced anode gas bubble (Soderberg anode formation and release) under the presence of numerous grooves on the Soderberg anode surface translates into reduced aode gas bubble voltage drop and a more stable electrolytic furnace with reduced noise. .

São mostradas nas Figuras 8(a) e 8(b), as flutuações de volta-gem em ânodos de Soderberg com e sem ranhuras, respectivamente.A magnitude do tamanho de bolhas de gás de ânodo também traduz a esta-bilidade do forno eletrolítico (ruído). A voltagem do forno eletrolítico flutuadesde um valor baixo de 4,2 V a um valor alto de 4,5 V, enquanto influencia-da principalmente pelos processos de formação e liberação das bolhas degás de ânodo. A magnitude da flutuação da voltagem de célula pode ser re-duzida significativamente com a formação de ranhuras na superfície de So-denberg interrompendo a formação de grandes bolhas de gás na superfíciedo ânodo. A Figura 8(b) mostra uma variação na voltagem de célula vs. tem-po com uma magnitude substancialmente reduzida da flutuação quando ra-nhuras estão presentes. A voltagem de célula varia desde um valor baixo de4,3 V a um valor alto de 4,4 V. A Figura 8(b) mostra uma gravação de tempode voltagem de célula tendo uma flutuação de voltagem muito menor, en-quanto influenciado pelas ranhuras para interromper a formação e liberaçãode bolhas de gás na superfície do ânodo de Soderberg.Shown in Figures 8 (a) and 8 (b) are the fluctuations in voltages with and without grooved Soderberg anodes, respectively. The magnitude of the size of anode gas bubbles also reflects the stability of the electrolytic furnace. (noise). The electrolytic furnace voltage fluctuates from a low value of 4.2 V to a high value of 4.5 V, while mainly influenced by the processes of formation and release of the anode bubbles. The magnitude of cell voltage fluctuation can be significantly reduced with the formation of grooves on the So-denberg surface by interrupting the formation of large gas bubbles on the anode surface. Figure 8 (b) shows a variation in cell voltage vs. time with a substantially reduced magnitude of fluctuation when cracks are present. Cell voltage ranges from a low value of 4.3 V to a high value of 4.4 V. Figure 8 (b) shows a cell voltage time recording having a much smaller voltage fluctuation while influenced by grooves to interrupt the formation and release of gas bubbles on the surface of the Soderberg anode.

Foram testados ânodos de Soderberg experimentais contendoinserções de placas de alumínio dispostas verticalmente as quais fundiramem um banho de criolita quente a aproximadamente 1000°C vs. ânodos deSoderberg tradicionais sem ranhuras para diferenças em ruído de bolha, de-finido como diferença de pico a pico de voltagem de "curto termo" de fornoeletrolítico. O resultado indicou que células de Soderberg "ranhuradas" temum potencial maior para reduzir o ruído de bolhas de gás devido ao maiorruído associado com o grande tamanho do ânodo de Soderberg único.Experimental Soderberg anodes containing vertically disposed aluminum plate inserts which melted a hot cryolite bath at approximately 1000 ° C were tested. Non-slotted traditional Soderberg anodes for differences in bubble noise, defined as peak to peak voltage difference of "short term" electrolytic oven. The result indicated that "slotted" Soderberg cells have a greater potential to reduce gas bubble noise due to the larger noise associated with the large size of the single Soderberg anode.

Como mostrado na Figura 6, o ruído do forno eletrolítico foi ge-ralmente maior nos fornos eletrolíticos de Soderberg com ânodos tradicio-nais do que um forno eletrolítico com ânodos contendo ranhuras. Os ânodosde Soderberg tradicionais com ruído alto são mostrados como 100, e osânodos de Soderberg tradicionais com ruído baixo são mostrados como 105,enquanto os ânodos de Soderberg ranhurados são mostrados como 110.O ruído do forno eletrolítico foi menor no ânodo de Soderberg com ranhuras110, (0,04 - 0,05 volts). Houve uma redução de 80% no ruído de forno ele-trolítico quando comparando com fornos eletrolíticos tradicionais com ruídoalto 100, (-0,200 volts). Houve uma redução de 40% no ruído de forno eletro-lítico quando comparando com fornos eletrolíticos tradicionais com ruído bai-xo 105. Isto significa que em média, as ranhuras podem reduzir o ruído deforno eletrolítico tanto quanto 0,100 volts. Menos ruído de forno eletrolíticotambém significa melhor operação de forno eletrolítico e eficiência de corren-te alta.As shown in Figure 6, the electrolytic furnace noise was generally higher in traditional anode Soderberg electrolytic furnaces than a grooved anode electrolytic furnace. Traditional high-noise Soderberg anodes are shown as 100, and traditional low-noise Soderberg anodes are shown as 105, while grooved Soderberg anodes are shown as 110. Electrolytic furnace noise was lower at Grooved Soderberg anode110, (0.04 - 0.05 volts). There was an 80% reduction in electrolytic furnace noise when compared to traditional electrolytic furnaces with a high noise 100, (-0,200 volts). There was a 40% reduction in electro-lithic furnace noise when compared to traditional low-noise electrolytic furnaces 105. This means that on average, the grooves can reduce electrolytic oven noise as much as 0.100 volts. Less electrolytic oven noise also means better electrolytic oven operation and high running efficiency.

Embora várias modalidades da presente invenção tenham sidodescritas em detalhe, é claro que modificações e adaptações daquelas mo-dalidades ocorrerão àqueles entendidos na técnica. No entanto, deve serexpressamente entendido que tais modificações e adaptações estão dentrodo espírito e escopo da presente invenção.While various embodiments of the present invention have been described in detail, it is clear that modifications and adaptations of those embodiments will occur to those skilled in the art. However, it should be expressly understood that such modifications and adaptations are within the spirit and scope of the present invention.

Claims (18)

1. Ânodo de carbono do tipo de autocozimento de Soderbergconsumível em eletrólito fundido, tendo superfícies de topo, fundo e laterais,em que o ânodo de carbono tem uma pluralidade de inserções de placa dis-postas verticalmente selecionadas de um grupo que consiste em alumínio,óxido de alumínio, criolita e misturas dos mesmos, fusível no eletrólito decriolita, sendo as ditas inserções de placa capazes de fundir para criar pon-tos ocos no fundo do ânodo, permitindo quaisquer bolhas de gás geradas naoperação do ânodo passar através das ranhuras para o lado do ânodo.1. Soderberg self-burnt type carbon anode, consumable in molten electrolyte having top, bottom and side surfaces, wherein the carbon anode has a plurality of plate inserts disposed vertically selected from a group consisting of aluminum, aluminum oxide, cryolite and mixtures thereof, fuse in the decriolite electrolyte, said plate inserts capable of melting to create hollow points at the bottom of the anode, allowing any gas bubbles generated during anode operation to pass through the grooves into the anode. anode side. 2. Ânodo de carbono de acordo com a reivindicação 1, em queas inserções de placa são alumínio.Carbon anode according to claim 1, wherein the plate inserts are aluminum. 3. Ânodo de carbono de acordo com qualquer uma das reivindi-cações precedentes, em que as inserções de placa são alumínio de baixaimpureza, tendo a liga menos do que aproximadamente 0,1% em peso deFe; menos do que aproximadamente 0,02% em peso de Ni; menos do queaproximadamente 0,05% em peso de Cu; menos do que aproximadamente-0,02% em peso de Zn; e menos do que aproximadamente 0,02% em pesode Co.Carbon anode according to any one of the preceding claims, wherein the plate inserts are low hardness aluminum, the alloy having less than approximately 0.1 wt% Fe; less than approximately 0.02% by weight of Ni; less than about 0.05 wt% Cu; less than about 0.02% by weight of Zn; and less than about 0.02% by weight of Co. 4. Ânodo de carbono de acordo com qualquer uma das reivindi-cações precedentes, em que as inserções de placa têm uma altura de apro-ximadamente 6 cm a aproximadamente 50 cm e uma largura de aproxima-damente 0,75 cm a aproximadamente 1,5 cm.Carbon anode according to any one of the preceding claims, wherein the plate inserts have a height of approximately 6 cm to approximately 50 cm and a width of approximately 0.75 cm to approximately 1, 5 cm. 5. Ânodo de carbono de acordo com qualquer uma das reivindi-cações precedentes, em que as inserções de placa mais no topo são dispos-tas entre os pinos de metal condutor.Carbon anode according to any one of the preceding claims, wherein the topmost plate inserts are disposed between the conductive metal pins. 6. Ânodo de carbono de acordo com qualquer uma das reivindi-cações precedentes, em que o ânodo compreende alcatrão de carvão e pi-che de petróleo.Carbon anode according to any one of the preceding claims, wherein the anode comprises coal tar and petroleum puff. 7. Célula de eletrólise de alumínio compreendendo:(1) pelo menos um ânodo de carbono tipo Soderberg de autocozimento, consumível, tendo superfícies de topo, de fundo e laterais compinos de metal verticais conduzindo eletricamente dentro do corpo do ânodo;(2) um eletrólito fundido no qual o pelo menos um ânodo de car-bono é colocado de forma que as superfícies de fundo do ânodo contatem oeletrólito para auto cozer o fundo do ânodo, e onde bolhas de gás são gera-das na superfície de fundo do ânodo;(3) meios para mover verticalmente o pelo menos um ânodo decarbono em uma direção para baixo no eletrólito fundido enquanto o pelomenos um ânodo de carbono é consumido pelo eletrólito; e(4) uma pluralidade de camadas de inserções de placa selecio-nadas de um grupo consistindo em alumínio, óxido de alumínio, criolita emisturas dos mesmos, dentro do pelo menos um ânodo de carbono, cujasinserções de placa fundirão com movimento para baixo do ânodo dentro doeletrólito fundido para prover ranhuras ocas comunicando com o eletrólito,cujas ranhuras podem canalizar as bolhas de gás desde o fundo do pelomenos um ânodo de carbono dentro do eletrólito.An aluminum electrolysis cell comprising: (1) at least one consumable self-sinking Soderberg-type carbon anode having vertical metal composite top, bottom and side surfaces electrically conducting within the anode body; molten electrolyte in which the at least one carbon anode is placed such that the anode bottom surfaces contact the electrolyte to self-bake the anode bottom, and where gas bubbles are generated on the anode bottom surface; (3) means for vertically moving the at least one carbon anode in a downward direction in the fused electrolyte while at least one carbon anode is consumed by the electrolyte; and (4) a plurality of layers of selected plate inserts from a group consisting of aluminum, aluminum oxide, cryolite mixtures thereof, within the at least one carbon anode, whose plate inserts will melt downwardly from the anode. within the molten electrolyte to provide hollow grooves communicating with the electrolyte, the grooves of which can channel gas bubbles from the bottom of at least one carbon anode into the electrolyte. 8. Célula de eletrólise de acordo com a reivindicação 7, em queo pelo menos um ânodo de carbono compreende alcatrão de carvão e pichede petróleo.The electrolysis cell according to claim 7, wherein the at least one carbon anode comprises coal tar and petroleum pitch. 9. Célula de eletrólise de acordo com a reivindicação 7, em queo eletrólito fundido é um banho de criolita fundida e as inserções de placasão alumínio.The electrolysis cell according to claim 7, wherein the molten electrolyte is a molten cryolite bath and the aluminum plate inserts. 10. Célula de eletrólise de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 7 e 8, em que o eletrólito fundido é um banho de criolita fundida eas inserções de placa são de um alumínio de baixa impureza, tendo a ligamenos do que aproximadamente 0,1% em peso de Fe; menos do que apro-ximadamente 0,02% em peso de Ni; menos do que aproximadamente 0,05%em peso de Cu; menos do que aproximadamente 0,02% em peso de Zn; emenos do que aproximadamente 0,02% em peso de Co.An electrolysis cell according to any one of claims 7 and 8, wherein the molten electrolyte is a molten cryolite bath and the plate inserts are of a low impurity aluminum having at least about 0.1 µm alloys. % by weight of Fe; less than about 0.02 wt% Ni; less than approximately 0.05% by weight of Cu; less than approximately 0.02% by weight of Zn; less than approximately 0.02% by weight of Co. 11. Célula de eletrólise de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 7 - 10, em que o eletrólito fundido tem uma temperatura desde a-proximadamente 800°C a aproximadamente 1100°C.An electrolysis cell according to any one of claims 7 - 10, wherein the molten electrolyte has a temperature of from about 800 ° C to about 1100 ° C. 12. Célula de eletrólise de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 7 - 10, em que o eletrólito fundido tem uma temperatura desdeaproximadamente 900°C a aproximadamente 1000°C.An electrolysis cell according to any one of claims 7 - 10, wherein the molten electrolyte has a temperature of from about 900 ° C to about 1000 ° C. 13. Célula de eletrólise de acordo com qualquer uma das reivin-dicações T- 12, em que as inserções de placa têm uma altura de aproxima-damente 6 cm a aproximadamente 50 cm e uma largura de aproximadamen-te 0,75 cm a aproximadamente 1,5 cm.An electrolysis cell according to any one of claims T-12, wherein the plate inserts have a height of approximately 6 cm to approximately 50 cm and a width of approximately 0.75 cm to approximately 1.5 cm. 14. Célula de eletrólise de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 7-13, em que as inserções de placa mais no topo são dispostasentre os pinos de metal condutor.An electrolysis cell according to any one of claims 7-13, wherein the topmost plate inserts are disposed between the conductive metal pins. 15. Célula de eletrólise de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 7 - 14, em que as bolhas de gás geradas não coalescem em aglo-merações grandes de bolhas no fundo do ânodo.An electrolysis cell according to any one of claims 7 - 14, wherein the generated gas bubbles do not coalesce into large bubble clumps at the bottom of the anode. 16. Método de produzir um ânodo de Soderberg compreendendo:adicionar pasta de carbono a uma parte superior de um invólucrointerconectado a um ânodo de Soderberg;inserir uma pluralidade de placas fusíveis dentro da pasta decarbono; eabaixar a pasta de carbono em direção ao eletrólito fundido.A method of producing a Soderberg anode comprising: adding carbon paste to an upper portion of an interconnected shell to a Soderberg anode, inserting a plurality of fuse plates into the carbon paste; and lower the carbon paste toward the molten electrolyte. 17. Método de produzir alumínio, compreendendo o método:contatar um eletrólito fundido com um ânodo de Soderberg;aquecer o eletrólito fundido a uma temperatura de desde apro-ximadamente 900°C a aproximadamente 1000°C;dissolver a placa contida no ânodo para formar uma ranhura, emque os gases gerados durante o aquecimento do eletrólito fundido pode pas-sar através da ranhura e afastado do ânodo de Soderberg.A method of producing aluminum, the method comprising: contacting a molten electrolyte with a Soderberg anode, heating the molten electrolyte at a temperature of from about 900 ° C to approximately 1000 ° C, dissolving the plate contained in the anode to form a groove where gases generated during heating of the molten electrolyte may pass through the groove and away from the Soderberg anode. 18. Método de acordo com a reivindicação 17, em que os gasesgerados passam através da ranhura sem tampar a ranhura.The method of claim 17, wherein the generated gases pass through the slot without capping the slot.
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